本發(fā)明屬于微電子器件技術領域，特別涉及一種基于c面al2o3襯底的n面ⅲ族氮化物的發(fā)光二極管，可用于照明，顯示屏和背光源的各種光學應用。

技術背景

發(fā)光二極管led由于其效率高，壽命長，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，使得led照明飛速發(fā)展。有人說白熾燈照亮了20世紀，led則會照亮21世紀。氮化物作為直接帶隙半導體，同時具有較大的禁帶寬度，通過調(diào)節(jié)材料中各組分的比例禁帶寬度可以在0.7ev到6.2ev之間變化，覆蓋了從紅外到極紫外的波段范圍，在led應用中獲得了廣泛使用。其中，ⅲ族氮化物半導體材料是最常用的制備led的材料，如aln基、gan基、inn基等半導體材料。纖鋅礦結構的ⅲ族氮化物半導體材料通常有一個平行于晶胞的c軸(0001)方向的極性軸，由于沿著極性軸方向不存在中心反轉對稱性，因此由極性方向的不同可分為n面ⅲ族氮化物材料和金屬面ⅲ族氮化物材料。n面ⅲ族氮化物和金屬面ⅲ族氮化物的交界處，稱為反型疇idb。

p.j.schuck等人在2001年研究了gan內(nèi)反型疇的光學特性，即反型疇的發(fā)光強度超過體gan面區(qū)域一個數(shù)量級，據(jù)此，該研究認為反型疇可以看做是一個高效輻射復合中心，理論上可以將反型疇看做量子阱，且具有一定密度的反型疇的gan薄膜，可以用于制作led而不需要生長量子阱結構，這樣大大減少了工藝步驟?；谏鲜鼋Y論，由于在n面極性的ⅲ族氮化物薄膜內(nèi)，本身存在著一定密度的反型疇，故可以用n面極性ⅲ族氮化物薄膜制作新型的led。

金屬有機化合物化學氣相沉淀mocvd技術是目前使用最多的ⅲ族氮化物半導體外延技術。通過mocvd工藝在c面al2o3襯底上外延生長的ⅲ族氮化物薄膜一般具有金屬面極性。2008年nicholasa.fichtenbaum在博士論文中提到，使用mocvd生長機理在c面al2o3襯底上生長gan，使用高溫氮化處理步驟后，獲得的是n面極性的gan材料；而使用低溫氮化處理步驟后，獲得的是ga面極性的gan材料。利用上述理論，可以用mocvd技術生長得到n面ⅲ族氮化物薄膜，用于制作新型的無量子阱結構的led。

目前l(fā)ed器件的發(fā)光依靠阱層/壘層量子阱結構內(nèi)的載流子輻射復合，而量子阱結構，如ingan/gan量子阱，需要生長多層薄膜，生長步驟繁多，工藝周期長。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于c面al2o3襯底的n面ⅲ族氮化物的發(fā)光二極管，以簡化器件結構和制作流程，縮短工藝周期。

本發(fā)明的技術思路是：利用反型疇具有良好發(fā)光特性的特點，來替代量子阱發(fā)光，利用包含有反型疇的n面ⅲ族氮化物制作不包含量子阱結構的led，其實現(xiàn)方案如下：

1.一種基于c面al2o3襯底的n面ⅲ族氮化物的發(fā)光二極管，自下而上包括：c面al2o3襯底層、高溫aln成核層、發(fā)光層和電極，其特征在于：發(fā)光層為一層n面ⅲ族氮化物層。

上述薄膜，其特征在于：所述的高溫aln成核層的厚度為20-50nm。

上述薄膜，其特征在于：所述的n面ⅲ族氮化物薄膜的厚度為700-2000nm。

上述薄膜，其特征在于：n面ⅲ族氮化物層，采用gan，aln和algan中的任意一種。

2.一種基于c面al2o3襯底的n面ⅲ族氮化物的發(fā)光二極管的制備方法，包括如下步驟：

1)熱處理：

將c面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，在mocvd反應室壓力達到為20-760torr條件下，將襯底加熱到溫度為900-1200℃，并保持5-10min，完成對襯底基片的熱處理；

2)高溫氮化：

將熱處理后的襯底置于溫度為1000-1100℃的反應室，通入流量為3000-4000sccm的氨氣，持續(xù)3-5min進行氮化；

3)生長高溫aln成核層：

在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度為950-1100℃的條件下，同時通入流量為3000-4000sccm的氨氣和流量為20-40sccm的鋁源，生長厚度為20-50nm的高溫aln成核層；

4)生長n面n型ⅲ族氮化物層：

在aln成核層上采用mocvd工藝生長厚度為700-2000nm的n面n型ⅲ族氮化物層，再采用光刻工藝刻蝕掉部分n型ⅲ族氮化物層至高溫aln成核層；

5)生長n面p型ⅲ族氮化物層：

在n型ⅲ族氮化物層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝生長厚度為700-2000nm的n面p型ⅲ族氮化物層，之后將反應室溫度維持為850℃，在h2氣氛下，退火10min；

6)沉積電極；

采用濺射金屬的方法分別在n型ⅲ族氮化物層上沉積n型電極，在p型ⅲ族氮化物層沉積p型電極，完成器件制作。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1.傳統(tǒng)led的發(fā)光層為量子阱結構，需要生長多層ⅲ族氮化物薄膜，本發(fā)明的led發(fā)光層為一層n面ⅲ族氮化物層，利用n面ⅲ族氮化物薄膜內(nèi)的反型疇發(fā)光，即本發(fā)明利用反型疇代替量子阱結構發(fā)光，簡化了器件結構。

2.本發(fā)明由于結構簡單，因而減小了工藝流程，縮短了制作周期。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明結構的生長過程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

參照圖1，本發(fā)明的器件結構包括：c面al2o3襯底層、高溫aln成核層、n面ⅲ族氮化物層和電極。該高溫aln成核層位于c面al2o3襯底層之上，其厚度為20-50nm；該n面ⅲ族氮化物層位于高溫aln成核層之上，其厚度為700-2000nm；該n面ⅲ族氮化物層包括n面n型ⅲ族氮化物層和n面p型ⅲ族氮化物層，其中，n面p型ⅲ族氮化物層位于n面n型ⅲ族氮化物層的右邊；電極包括n型電極和p型電極，分別位于n型ⅲ族氮化物層和p型ⅲ族氮化物層之上。

該n面ⅲ族氮化物層，采用gan或aln或algan材料，用于作為發(fā)光層，發(fā)不同顏色的光。

參照圖2，本發(fā)明給出制備基于c面al2o3襯底的n面ⅲ族氮化物的發(fā)光二極管的三種實施例。

實施例1，制備一種基于c面al2o3襯底的n面gan的紫外發(fā)光二極管。

步驟1，熱處理。

將c面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，使mocvd反應室壓力為20torr，將襯底加熱到溫度為900℃，對襯底基片進行5min的熱處理。

步驟2，高溫氮化。

將熱處理后的襯底置于溫度為1000℃的反應室，通入流量為3000sccm的氨氣，持續(xù)3min進行氮化。

步驟3，生長高溫aln成核層，如圖2(a)。

在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度為950℃的條件下，同時通入流量為3000sccm的氨氣和流量為20sccm的鋁源，在保持壓力為20torr的條件下生長厚度為20nm的高溫aln成核層。

步驟4，生長n面n型gan層。

4a)在aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為950℃的條件下，同時通入流量為2500sccm的氨氣，流量為150sccm的鎵源和流量為10sccm的硅源，在保持壓力為20torr的條件下生長厚度為700nm的n面n型gan層，如圖2(b)；

4b)采用光刻工藝刻蝕掉部分n型gan層至高溫aln成核層，如圖2(c)。

步驟5，生長n面p型gan層，如圖2(d)。

在n型gan層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝在反應室溫度為950℃的條件下，同時通入流量為2500sccm的氨氣，流量為150sccm的鎵源和流量為100sccm的鎂源，在保持壓力為20torr的條件下生長厚度為700nm的n面p型gan層，之后將反應室溫度維持為850℃，在h2氣氛下，退火10min。

步驟6，沉積電極，如圖2(e)。

采用濺射金屬的方法分別在n型gan層上沉積n型電極，在p型gan層沉積p型電極，完成對紫外led器件的制作。

實施例2，制備發(fā)光波長為200nm的基于c面al2o3襯底的n面aln的極紫外發(fā)光二極管led。

步驟一，熱處理。

將c面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，使mocvd反應室壓力為200torr，將襯底加熱到溫度為1000℃，對襯底基片進行7min的熱處理。

步驟二，高溫氮化。

將熱處理后的襯底置于溫度為1050℃的反應室，通入流量為3500sccm的氨氣，持續(xù)4min進行氮化。

步驟三，生長高溫aln成核層，如圖2(a)。

在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度為1050℃的條件下，同時通入流量為3500sccm的氨氣和流量為30sccm的鋁源，在保持壓力為200torr的條件下生長厚度為40nm的高溫aln成核層。

步驟四，生長n面n型aln層。

4.1)在aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為1050℃的條件下，同時通入流量為3000sccm的氨氣，流量為200sccm的鋁源和流量為15sccm的硅源，在保持壓力為200torr的條件下生長厚度為1200nm的n面n型aln層，如圖2(b)；

4.2)再采用光刻工藝刻蝕掉部分n型aln層至高溫aln成核層，如圖2(c)。

步驟五，生長n面p型aln層，如圖2(d)。

在n型aln層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝在反應室溫度為1050℃的條件下，同時通入流量為3000sccm的氨氣，流量為200sccm的鋁源和流量為150sccm的鎂源，在保持壓力為200torr的條件下生長厚度為1200nm的n面p型aln層，之后將反應室溫度維持為850℃，在h2氣氛下，退火10min。

步驟六，沉積電極，如圖2(e)。

采用濺射金屬的方法分別在n型aln層上沉積n型電極，在p型aln層沉積p型電極，完成極紫外led器件的制作。

實施例3，制備發(fā)光波長為280nm的基于c面al2o3襯底的n面al0.43ga0.57n的深紫外發(fā)光二極管。

步驟a，將c面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，使mocvd反應室壓力為760torr，將襯底加熱到溫度為1200℃，對襯底基片進行10min的熱處理。

步驟b，將熱處理后的襯底置于溫度為1100℃的反應室，通入流量為4000sccm的氨氣，持續(xù)5min進行氮化，完成高溫氮化。

步驟c，在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度為1100℃的條件下，同時通入流量為4000sccm的氨氣和流量為40sccm的鋁源，在保持壓力為760torr的條件下生長厚度為50nm的高溫aln成核層，如圖2(a)。

步驟d，在aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為1100℃的條件下，同時通入流量為3500sccm的氨氣，流量為250sccm的鋁源，流量為250sccm的鎵源和流量為20sccm的硅源，在保持壓力為760torr的條件下生長厚度為2000nm的n面n型al0.43ga0.57n層，如圖2(b)；再采用光刻工藝刻蝕掉部分n型algan層至高溫aln成核層，如圖2(c)。

步驟e，在n型aln層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝在反應室溫度為1100℃的條件下，同時通入流量為3500sccm的氨氣，流量為250sccm的鋁源，流量為250sccm的鎵源和流量為180sccm的鎂源，在保持壓力為760torr的條件下生長厚度為2000nm的n面p型al0.43ga0.57n層；之后將反應室溫度維持為850℃，在h2氣氛下，退火10min，如圖2(d)。

步驟f，采用濺射金屬的方法分別在n型algan層上沉積n型電極，在p型algan層沉積p型電極，完成深紫外led器件的制作，如圖2(e)。

以上描述僅是本發(fā)明的三個具體實例，不構成對本發(fā)明的任何限制，顯然對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明的原理、結構的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。